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EMCCD的增益解析

  EMCCD（Electron Multiplying CCD），即电子倍增CCD，通常用来探测一些经常被淹没在噪声里的微弱信号，虽然传统的CCD也可以探测这些信号，但是通常需要较长的曝光时间（整合可探测的信号）和缓慢的读出速率（降低噪声），而EMCCD通过电子倍增的方式，可以用更短的曝光时间以及更高的读出速率完成同样的工作

        EMCCD与普通CCD的区别，在于普通CCD的读出寄存器后面增加一个增益寄存器，从而将电子信号放大，其中的原理就是利用电子在转移过程中产生的“撞击离子化”效应，从而产生新的电子。具体原理如下图所示：

由上图可知，EMCCD的工作过程分为5个步骤：

1. 在积分周期内，成像区将光子转化成电荷；

2. 成像区电荷转移到存储区；

3. 存储区电荷转移到读出寄存器；

4. 读出寄存器电荷转移到增益寄存器，并在其中进行电子倍增；

5. 倍增后的电荷通过读出放大器转换成电压输出。

        在第4步中，对增益寄存器施加高电压（一般为40-50V），在电子通过时由于碰撞电离效应产生新的电子，这样，经过多次累加，实现信号电子的倍增。虽然每次倍增率g都非常小（一般g在0.001至0.016），但是经过n次增益寄存器的转移（一般在500至600次），总增益G=（1+g）ⁿ会非常可观。例如：n=577，g=0.008，则G=（1+0.008）⁵⁷⁷≈99；而如果倍增率g稍微增加，比如g=0.016，那么G=（1+0.016）⁵⁷⁷≈9500，由此可以看出，总增益取决于倍增次数n和每次的倍增率g，并且总增益值只是一个经验值而非一个确切的数字。

        由于信号电子在增益寄存器中通过“撞击离子化”效应产生新的电子，随着使用时间的增加，半导体材料会不断的减少，为了维持较高的增益G不变，增益寄存器上的偏置电压需要不断增加，然而电压不可能无限制上升，因为它受到氧化层击穿条件的限制。这种情况下，英国Raptor公司新推出的EMCCD相机可以通过控制软件命令调整12位（0-4095）的时钟电压振幅模数转换器控制电子倍增寄存器产生的特定的高增益，也可以通过降低探测器的温度增加信号电子在增益寄存器中的增益倍率，从而在增益寄存器施加低电压的情况下得到一个较高的总增益，并且大大提高了探测器的寿命。

        综上所述：总增益G与CCD的探测灵敏度密切相关，选用准确的G值对于CCD性能有重要的影响。G值过低，不能有效的消除系统的读出噪声；G值过高，减弱可探测的峰值，对小信号有不必要的灵敏度，并且会加速传感器的老化速度。所以，选择一个合适的G值是非常重要的。

  英国RAPTOR公司是一家研发、生产高品质EMCCD相机的专业厂家，其产品在天文、科研等领域得到了广泛的应用。

  西安立鼎光电是RAPTOR公司中国区的战略合作伙伴，负责该公司产品在中国的技术支持和产品推广。

EMCCD Falcon Ⅲ

产品特点

◆波长范围 200-1100nm

◆分辨率 1024x1024

◆像元尺寸 10µm x10µm

◆EM增益 x5000

◆读出噪声 <1e-

◆帧速 31Hz

◆背照芯片QE＞95%

◆深度制冷 -70°C

EMCCD Hawk 252

产品特点

◆波长范围 300-1100nm

◆分辨率 1280x1024

◆像元尺寸 8µmx8µm

◆QE: >95% @600nm

◆动态范围 55dB

◆帧速 25/30Hz

应用领域

●自适应光学及天文

●钙信号

●荧光成像 / 光谱

●高分辨率荧光成像

●高光谱成像

●活细胞成像

●光子计数

●单分子探测